آموزش فیزیک اول متوسطه -فصل اول (انرژی)

انرژی پتانسیل ذخیره شده در فنر را انرژی پتانسیل كشسانی می گویند.
1-8- منابع انرژی :
منابع انرژی به دو دسته تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند. انرژیهای تجدید ناپذیر فقط یكبار قابلیت مصرف دارند، اما انرژیهای تجدید پذیر تمام نمی شوند. برخی از این منابع عبارتند از :
الف – انرژی خورشیدی، باد، امواج دریا، انرژی ...

الف – منابع انرژیهای تجدید ناپذیر
این انرژیها فقط یكبار قابلیت مصرف دارند.
منابع انرژی محدود است و پس از مدتی تمام می شود
سوخت های فسیلی و سوخت های هسته ای از منابع انرژی تجدید ناپذیر هستند

سوخت های فسیلی ( منابع انرژی تجدید ناپذیر) :
1.سوخت های فسیلی چگونه تشكیل می شوند؟ به چه كاربردی در صنایع پالایش دارند؟
جواب : تنه های پوسیده درختان و باقی مانده ی جانوران در زیر گل و لای در طی میلیون ها سال تحت فشار و دمای مناسب به زغال سنگ نفت و گاز تبدیل می شوند كه به آنها سوخت های فسیلی می گویند.
با استفاده از سوخت های فسیلی هزاران ماده چون قطران، بنزین، نفت سفید، نفت ، گاز ، روغن موتور، رنگ ، كود شیمیایی، دارو، پلاستیك و حتی غذا در صنایع پالایش و پتروشیمی بدست می آید.

2 – سوخت هسته ای چیست و چگونه از آن استفاده می شود؟
جواب :
الف) هسته اتمهای سنگین مانند اورانیوم و توریسم می توانند با واكنش شكافت هسته ای انرژی زیادی را آزاد كنند. به این مواد سوخت هسته ای می گویند.

ب ) در واكنش شكافت هسته ای، هسته ی اتم سنگین بر اثر واكنش با نوترون به دو هسته ی سبك تر شكافته می شود و گرمای زیاد آزاد می شود. این واكنش معمولاً در راكتور هسته ای انجام می شود.

3 – راكتور هسته ای چیست؟
كوره ای كه سوخت آن ماده ی شكافت پذیر است مانند اورانیوم

4 – استفاده از سوخت های هسته ای چه مشكلاتی دارد؟
جواب
الف. مقدار عناصر شكافت پذیر محدود و تمام شدنی است.
ب : بهره برداری از راكتورهای هسته ای مشكل و پرهزینه می باشد.
پ : سوخت های هسته ای (هسته ی اتم های شكافت پذیر) پرتو او بسیار خطرناك است.
ت: محصولات حاصل از شكافت شدیداً پرتوزا نگهداری و دفن آنها از نظر زیست محیطی بسیار مشكل و پرهزینه است.
ث: حوادث راكتورها خطرناك است و در صورت وقوع محیط زیست آلوده می شود.

منابع انرژی تجدید پذیر و تجدید ناپذیر
منابع انرژی تجدید پذیر :
• منابع انرژی تجدید پذیر تمام نمی شوند.
• منابع معمولاً محیط زیست را آلوده نمی كنند
• منابع انرژی چون انرژی خورشیدی و ... از جمله منابع انرژی تجدید پذیر می باشند.
منابع انرژی تجدید پذیر :
• منابع انرژی تجدید پذیر تمام نمی شوند.
• منابع معمولاً محیط زیست را آلوده نمی كنند
• منابع انرژی چون انرژی خورشیدی و ... از جمله منابع انرژی تجدید پذیر می باشند.
انرژی خورشید :
1 – انرژی كه زمین از خورشید می گیرد چه می شود؟
نیمی از این انرژی به سطح زمین و آب اقیانوسها می رسد و آب و هوای زمین را گرم می كند و مقداری از آن بر اثر فتوسنتز به صورت انرژی شیمیایی جذب گیاهان و سبب گرم شدن آنها می شود.

2 – مقدار كل انرژی دریافتی زمین از خورشید چقدر است؟
در هر ثانیه معادل انرژی حاصل از سوختن سه میلیون تن بنزین است.

3- روش های بهره گیری از انرژی خورشیدی را بنویسید.
الف) استفاده از صفحه های خورشیدی در آب گرم كن ها با دمای كم كه نور خورشید را به انرژی گرمایی تبدیل می كند.
ب) استفاده از آینه های مقعر بزرگ در كوره های خورشیدی كه پرتوهای خورشید در ناحیه ای كوچك متمركز می شود. از این روش می توان برای تبدیل آب به بخار در یك نیروگاه برق استفاده كرد.
پ) استفاده از سلول های خورشیدی كه نور خورشید را مستقیماً به الكتریسته تبدیل می كنند. از این روش می توان انرژی لازم برای دستگاههای برقی ، مخابراتی و ماهواره ها را تهیه كرد.

ب : انرژی باد :
از انرژی باد چگونه استفاده می شود؟
توربین های بادی نیروگاههای بادی و پره های بزرگ آسیاهای بادی را در مسیر باد قرار می دهند تا پره های آنها را به گردش در آورد. اما توربین های بادی معمولاً پر سر و صدا هستند و منظره های طبیعی را خراب می كنند. بنابراین طرفداران محیط زیست با استفاده از این نیروگاهها مخالفند.

ج) انرژی امواج دریا :
1. از انرژی امواج دریا چگونه استفاده می شود؟
افت و خیر امواج دریا را به كمك نوعی مبدل می توان به انرژی الكتریكی تبدیل كرد. شكل (1-18) طرحی از چگونگی مهار انرژی امواج دریا را مشاهده می كنید.

ت ) انرژی هیدرو الكتریك( برق آبی) :
1. انرژی هیدروالكتریك چیست؟
جمع آوری آب از ارتفاع زیاد به سطح پائین تر در پشت یك سد برای راه اندازی توربین آبی متصل به یك مولد برق را انرژی هیدروالكتریك (برق آبی) می گویند.
بیشتر نیروگاهها در مناطقی ساخته می شوند كه آب كافی دارند و میزان بارندگی سالیانه در آنها بیشتر از نقاط دیگر است.

2. استفاده از سدهای آبی چه مشكلاتی دارد؟
الف) زمین های منطقه ی پشت سد به زیر آب می رود
ب) زیستگاه منطقه عوض می شود.

ث) انرژی زمین گرمایی:
1. منظور از انرژی زمین گرمایی چیست؟ و در چه مناطقی می توان از آن استفاده كرد؟
گرمای موجود در زیر سطح كره زمین انرژی زمین گرمایی می گویند. در مناطقی كه به عنوان محل آتش فشان یا زلزله شناخته می شوند می توان ازاین انرژی استفاده كرد.

2. چگونه از انرژی زمین گرمایی استفاده می شود؟
در یك سیستم آب سرد از طریق مجرایی به طرف صخره های داغ در عمق زمین می رود و از طریق مجرایی دیگر به صورت آب گرم یا بخار خارج می شود كه از آن برای گرم كردن خانه ها و یا به راه انداختن توربین بخار استفاده می شود.
انرژی زمین گرمایی در صورتی تجدید پذیر محسوب می شود كه انرژی كه از آن برداشته می شود. بیش از انرژی ای نباشد كه از طریق مركز جایگزین می شود همچنین مقدار آب تزریق شده و آب خارج شده برابر باشد.

ج) سوخت های گیاهی (بیومس)‌:
1. سوخت های گیاهی (بیومس) شامل چه سوخت هایی می باشند؟
این سوخت ها شامل محصولات زراعی، بقایای محصولات گیاهان طبیعی، فضولات حیوانات و فاضلاب های انسانی می باشد.

2 – چگونه ازسوخت های گیاهی استفاده می شود؟
با تخمیر سوخت های گیاهی توسط آنزیم ها و یا تجزیه آن ها توسط باكتریها در نبود هوا می توان مواد سوختی از قبیل الكل و گاز متان تولید كرد و سوخت های گیاهی مایع را می توان به جای بنزین استفاده كرد.

3 – مزایای استفاده از سوخت های گیاهی مایع به جای بنزین چیست؟
انرژی سوخت های گیاهی مایع 50 درصد كمتر از بنزین است. ولی سرب و گوگرد ندارند و در اثر سوختن آنها آلودگی كمتری ایجاد می شود.

4 – زیست گاز چیست؟
مخلوطی از متان و كربن دی اكسید و با انرژی حدود 70 درصدگاز طبیعی است.

1-8 – بهینه سازی مصرف انرژی :
به هنگام استفاه از انرژیهایی كه در دسترس داریم، قسمتی از آنها به صورت انرژی درونی درآمده و به اصطلاح تلف می شود. به طور مثال در موتور اتومبیل اصطكاك قسمت قابل توجهی از انرژی را به صورت گرما در می آورد. برای استفاده از این انرژی باید موارد زیر را بكار گرفت:
1. استفاده از وسایل نقلیه ی عمومی
2. عایق بندی بهتر ساختمانها
3. استفاده از موتورهایی كه راندمان بالاتری دارند.
4. استفاده درست از انرژی الكتریكی
5. با استفاده ی مناسب از منابع كشاورزی و منابع طبیعی، انرژی شیمیایی در گیاهان و طبیعت وجود دارد را حفظ كنیم.
انرژی الكتریكی چیست؟
قابلیت انجام كار به وسیله جریان الكتریكی را انرژی الكتریكی می گویند. وقتی وسایل برقی روشن می شوند، انرژی الكتریكی به انرژی مكانیكی تبدیل می شود و یا در یك لامپ روشن انرژی الكتریكی به انرژی نورانی و حرارتی تبدیل می شود.

واژه ها و فرمول های كلیدی :
1 – قابلیت انجام كار یا ظرفیت انجام كار را انرژی آن جسم می گویند و در SI یكای اندازه گیری آن ژول است.
2- قابلیت انجام كار به لحاظ انرژی ای كه در مواد شیمیایی مختلف وجود دارد را انرژی شیمیایی می گویند. در SI یكای اندازه گیری آن KJ/g می باشد.
3 – آهنگ مصرف انرژی ، مقدار انرژی است كه در یك زمان معین مصرف می شود (توان مصرف انرژی) . در SI یكای اندازه گیری آهنگ مصرف انرژی kj\min می باشد.
4 – انرژی یك جسم متحرك را انرژی جنبشی می گویند.
5 – به مجموع انرژیهای جنبشی . پتانسیل ذرات یك ماده انرژی آلی آن جسم می گویند.
6- در حالی كه انرژی پایسته می ماند، ممكن است از یك نوع به نوع دیگر تبدیل شود (قانون پایستگی انرژی)
7 – انرژی ذخیره شده در یك جسم به خاطر اختلاف سطح با زمین را انرژی پتانسیل گرانشی می گویند.
8 – انرژی ذخیره شده در فنر را انرژی پتانسیل كشسانی می گویند.
9 – منابع انرژی به دو دسته ی تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند.
10 – منابع انرژی كه فقط یكبار قابلیت مصرف دارند را تجدید ناپذیر می گویند (سوخت های فسیلی)
11 – منابع انرژی ای كه تمام نمی شوند را تجدید پذیر می گویند (انرژی خورشید)

1-2 – انرژی جنبشی :
انرژی یك جسم متحرك را انرژی جنبشی می گویند. این انرژی با جسم متناسب و با مجذور سرعت جسم نیز متناسب است و از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
در این رابطه k= 1/2 m v2
M جرم جسم بر حسب كیلوگرم (kg)
V سرعت جسم بر حسب متر بر ثانیه( K(m/s ، انرژی جنبشی جسم بر حسب ژول (J) برای تبدیل یكای Km/h به متر بر ثانیه و بالعكس به صورت زیر عمل می كنیم .

Km/h × /13/6 m/s
m/s × /13/6 km/h
نكته :‌انرژی جنبشی یك جسم با جرم جسم و مجذور سرعت آن نسبت مستقیم دارد. اگر جرم جسم دو برابر شود . انرژی جنبشی دو برابر و اگر سرعت جسم دو برابر شود، انرژی جنبشی آن چهار برابر می شود.
تمرین 2 :
گلوله ای به جرم 100g و انرژی جنبشی 20j با سرعت ثابت در حال حركت است. سرعت این گلوله چقدر است ؟
ابتدا جرم را به كیلوگرم تبدیل می كنیم

فرمول ها:

	(مقدار انرژی در هر گرم بر حسب kJ / g)	* (جرم بر حسب گرم)	= مقدار انرژی یک ماده غذایی
	مقدار انرژی لازم برای یک فعالیت	k = 1/2 mv²	= انرژی جنبشی
(زمان بر حسب دقیقه)	( KJ/MIN آهنگ مصرف بر حسب انرژی ) *	V = mgh	= انرژی پتانسیل
		E = K+V	= انرژی مکانیکی
		E₁ = E₂ => K ₁+V₁=K₂+V₂	(پایستگی انرژی)

پاسخ دهید وتمرینات پایانی فصل 1 : (انرژی)
1 – توپی را كه در روی زمین است و حركت می كند، در نظر بگیرید. سرعت توپ رفته رفته كم شده و بالاخره متوقف می شود.انرژی جنبشی توپ كجا رفته است؟
اصطكاك عاملی است كه باعث توقف توپ می گردد و در اثر اصطكاك انرژی جنبشی توپ تبدیل به انرژی درونی در توپ و زمین می گردد.

2 – در فصل سوم كتاب علوم تجربی سال اول راهنمایی با اثرگرما بر حالت مواد آشنا شدید. با توجه به آنچه تاكنون فرا گرفته اید حالت هایی را نام ببرید كه :
الف – افزایش انرژی درونی جسم بصورت گرمتر شدن آن ظاهر می شود.
ب- افزایش انرژی درونی جسم بصورت گرمتر شدن آن ظاهر نمی شود.

الف) میله ای فلزی را گرم می كنیم تا دمای آن از °20 (سانتی گراد) به °80 برسد. با گرم كردن میله انرژی درونی آن افزایش می یابد و دمای آن از 20ْ C درجه به 80ْ C می رسد.
ب) مخلوط آب و یخ را گرم می كنیم تا زمانی كه تمام یخ ذوب نشده است ، دمای آب و یخ صفر درجه سانتی گراد است. این نشان می دهد كه پددیده ی ذوب یك فرآیند گرماگیر است و با گرفتن گرما در دمای ثابت انرژی درونی جسم افزایش یافته و از حالت جامد به مایع تبدیل می شود.

3- الف – فرض كنید توپی را بدین راه‌، مثلاً نقطه C در شكل (1-10) متوقف كنیم. اگر آن را رها كنیم حركت توپ چگونه خواهد بود. آیا می توان گفت كه در نقطه C توپ دارای انرژی پتانسیل گرانشی است ؟ شكل (1-10( ص 13
الف – هر گاه توپ تا نقطه ی cبالا برده شود در آن انرژی پتانسیل گرانشی نسبت به سطح زمین ذخیره می گردد هر گاه آن را در نقطه Cرها كنیم. به لحاظ انرژی پتانسیلی كه دارد، به طرف پائین حركت می كند و هر لحظه انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می گردد.
انرژی پتانسیل توپ در نقطه c برابر (u=mgh) می باشد كه hc ارتفاع قائم نقطه ی c تا سطح زمین می باشد.

ب) فرض كنیم در شكل (1-10) اصطكاك وجود نداشته باشد آیا توپ می تواند بالاتر از نقطه B برود؟
وقتی توپ سطح شیبدار را بالا می رود. قسمتی از آن انرژی صرف غلبه بر اصطكاك می گردد. به صورت انرژی درونی در می آید تا به نقطه B برسد. حال اگر سطح بدون اصطكاك باشد، در نقطه B توپ باز همه انرژی جنبشی خواهد داشت و می تواند از این نقطه نیز بالاتر برود.

4 – در شكل (1-13) هنگامیكه گلوله در نقطه C بین دو نقطه A,B قرار دارد. آیا انرژی پتانسیل در فنر ذخیره شده است؟ آیا گلوله دارای انرژی جنبشی است؟
در نقطه c قسمتی از انرژی جنبشی گلوله به صورت انرژی پتانسیل كشسانی در فنر تبدیل می گردد و چون گلوله هنوز متوقف نشده است، دارای انرژی جنبشی است.

ب) فرض كنید پس از برخورد گلوله با فنر، گلوله فنر بچسبد، حركت بعدی گلوله را توصیف كنید و تبدیل های انرژی را با استفاده از قانون پایستگی انرژی توضیح دهید.
اگر گلوله به فنر بچسبد، در دستگاه فنر و گلوله انرژی پتانسیل كشسانی به انرژی جنبشی بالعكس تبدیل می شوند و چون سطح دارای اصطكاك است. رفته رفته انرژی دستگاه به انرژی درونی تبدیل می شود و پس از چند حركت رفت و برگشت گلوله در راستای افقی در آخر تمام انرژی دستگاه به صورت انرژی درونی درآمده و گلوله متوقف می شود.

5 – در اسباب بازیهای كودكی ، انرژی لازم برای حركت آنها از كجا تأمین می شود؟
به وسیله انرژی كشسانی فنر، در كوك اسباب بازی انرژی مكانیكی به صورت انرژی كشسانی در فنر ذخیره می شود. به هنگام كار كردن اسباب بازی مورد استفاده قرار می گیرد.

تمرینات پایانی فصل اول
1 – با توجه به جدول (1-2) به پرسش های زیر پاسخ دهید :
الف – اگر شخصی یك شبانه روز بخوابد، چه مقدار انرژی مصرف می كند؟
باتوجه به این جدول، آهنگ مصرف انرژی برای خوابیدن 5kJ/min می باشد كه به صورت زیر در یك شبانه روز محاسبه می گردد:

5×60×24=7200kJ

ب : انرژی كه برای یك ساعت نشستن در كلاس مصرف می شود بیشتر است یا انرژی كه صرف ده دقیقه دوچرخه سواری می شود؟

باز با توجه به این جدول آهنگ مصرف انرژی برای نشستن در كلاس درس
KJ/MIN
6/12

و آهنگ مصرف انرژی برای دوچرخه سواری باسرعت
(13-18km/h)
برابر
23/9kJ/min
و با سرعت 21km/h برابر 42kj/min می باشد.

12/6×60=756kj یك ساعت در كلاس
23/9×10=239kj دوچرخه سواری معمولی در ده دقیقه
42 × 10 = 420 KJ دوچرخه سواری تند در ده دقیقه

پس نشستن در كلاس درس به مدت یك ساعت انرژی بیشتری لازم دارد.

2 – توپی را از ارتفاع یك متری سطح زمین از حال سكون رها می كنیم. توپ بعد از برخورد با زمین با ارتفاع كم تر از یك متر بالا می رود این مثال را بر اساس پایستگی انرژی توضیح دهید.
وقتی یك توپ از ارتفاع h رها می شود. انرژی پتانسیل آن به اندازه U=mgh می باشد و وقتی به سطح زمین می رسد تمام انرژی پتانسیل توپ به انرژی جنبشی تبدیل می گردد و قسمتی از آن صرف مقاومت هوا می گردد، در برخورد با زمین و تغییر جهت توپ قسمتی از انرژی توپ به انرژی درونی تبدیل می گردد در این صورت انرژی توپ به خاطر مقاومت هوا و برخورد با زمین كاهش می یابد و توپ تا ارتفاع كمتر از یك متر بالا می رود.
3 – با استفاده از رابطه ی انرژی پتانسیل گرانشی جدول زیر را كامل كنید.

J)	h(m)	g(m/s)	m(kg)
2/4	1/2	10	0/2
28	2	10	1/4
196	5	9/8	4K
78/4	10	9/8	0/8

ردیف اول ) U= mgh "v=0/2×10×1/2=2/4 J
ردیف دوم ) U=mgh " => h=U /mg = (28 / 1.4 * 10)
ردیف سوم ) U=mgh => m = U/gh = (196 / 9.8 *5)"
ردیف چهارم ) U=mgh " => g = U / mh = 78.4 / 0.8 * 10 = 9/8 m/s2

4 – گلوله ای به جرم 5/0 کیلوگرم با سرعت اولیه 20m/s در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب می كنیم هر گاه 10% انرژی گلوله صرف غلبه بر مقاومت هوا شود، گلوله تا چه ارتفاعی بالا می رود؟ (g=10m/s2)
انرژی جنبشی اولیه ی گلوله برابر انرژی پتانسیل ثانویه به علاوه انرژی كه صرف غلبه بر مقاومت هوا شده است می باشد.

K1 = U2 + 0.2 K1
K 1- 0.2 K1 = V2 = > 0.8 K1 = U2
0.8 (1/2 mv2) = mgh => 0.472 = gh => 0.4 * (15)2 = 10 * h => h = 9m

5- توپی به جرم یك كیلوگرم را با سرعت 5m/s در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب می كنیم. انرژی پتانسیل گرانشی بالاترین ارتفاعی كه توپ به آن می رسد، چقدر است؟ سرعت آن در نیمه راه چقدر است ؟ از مقاومت هوا چشم پوشی كنید.
بدلیل چشم پوشی از مقاومت هوا ، وقتی توپ به بالا پرتاب می شود، تمام انرژی جنبشی آن به انرژی پتانسیل تبدیل می شود . پس :

K1=V2
K1= 1/2 mV2
m = 0.5 kg
V = 8 m/s" => V 2=k1= 1/2 × 0/5× (8)2

ب : برای بدست آوردن سرعت گلوله در نیمه راه مسیر ابتدا ارتفاع كل را بدست می آوریم.

V2=mgh

16=0/5×10×h=> h=3/2m
h' = h/2 = 3.2 / 2 = 1.6 m

اگر انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی در نیمه راه مسیر v3 , k3 باشد، می توان نوشت :

U2 = U 3+ K
mgh = mgh' + 1/2 m (v3)2
gh = gh '+ 1/2 v23 => 10*3.2 = 10 * 1.6 + 1/2 V23
=> 10 * 3.2 = 10 * 1/6 + 1/2 V23 => V 3= 4?2 m/s

6 - جمله های زیر را كامل كنید:
الف) در یك لامپ روشنایی انرژی الكتریكی به انرژی نورانی تبدیل می شود
ب) در پنكه، انرژی الكتریكی به مكانیكی تبدیل می شود
پ) به وسیله ی مالش دستها به هم می توانیم انرژی جنبشی را به انرژی درونی تبدیل كنیم
ت) در پر كردن باتری ماشین ، انرژی الكتریكی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.

7 – انرژی زمین گرمایی در چه صورت تجدید پذیر محسوب می شود؟
انرژی زمین گرمایی در صورتی تجدید پذیر محسوب می شود كه انرژی برداشت شده بیش از انرژی كه از طریق مركز زمین جایگزین می شود نباشد و همچنین مقدار آب تزریق شده و آب خارج شده برابر باشد.